镍基合金堆焊管板机加工后密封面平面度控制措施

赵 祥 蒋国辉

中国石油天然气第一建设有限公司 河南洛阳 471023

镍基合金堆焊管板是换热器中的重要承压元件，既要承受高压，又要承受高温腐蚀介质的冲击，运行工况较为恶劣。镍基合金是一种稳定的耐蚀合金，同时具有良好的耐腐蚀性和耐高温性，被广泛应用于存在氯化物腐蚀的设备中。某化工工程中间油- 油换热器内操作介质氯离子含量高达13 万ppm，对耐点蚀要求极高。因此，设计单位将镍基合金作为换热器管板耐腐蚀堆焊材质，执行ASME 标准制造。

镍基合金堆焊管板既能满足工程中耐腐蚀和耐高温的需要，而且有很好的强度和良好的耐应力腐蚀开裂性能，又大幅降低了管板的制造成本，具有很强的经济性。但是镍基合金加工性能差，切削力大，切削温度高，刀具磨损严重，对于这种材质的堆焊后加工，如果不能有效控制加工后的平面度，极易造成水压试验时泄露。因此，需要合理控制加工过程，减少管板加工过程的变形，满足密封面平面度要求。

1 管板结构特点与技术要求

1.1 结构特点

作为浮头式换热器，管板主要材质为SA- 266M Gr.2N 锻件，在管程侧表面堆焊厚度为6mm 材质N08825 镍基合金，固定管板直径φ1687mm，浮动管板直径φ1585mm，厚度均为118mm，每块管板上均布有1596 个φ25.25mm 的管孔。管孔群分布如图1 所示。

图1 固定管板图

1.2 技术要求

固定管板中心有12mm 隔板槽，槽内堆焊镍基合金。换热管管板密封面平面度要求小于0.2mm，密封面粗糙度为Ra6.3μm，密封面厚度6mm。管板密封面应与轴线垂直，其垂直度公差为0.3mm。除注明外，其余表面粗糙度为Ra12.5μm。

2 加工难点

2.1 工艺方案的选择

根据复合管板的制造特点，结合公司的设备能力，制定了管板的制造工艺流程：机加工待堆焊面→管板反变形→带极堆焊过渡层→消氢处理→带极堆焊复层→管板校平→机加工管板→管孔钻孔。

（1）将第一块管板壳程侧（堆焊面的背面）车平，并以其为基准面加工管板管程侧（正面）碳钢密封面和凸台，加工后的碳钢密封面到基准面的距离较图纸尺寸增加10mm 后续加工余量。然后将管板的带堆焊面做反变形，即堆焊面中心呈上凸的形状，反变形量20mm，详见图2。

图2 反变形示意图

（2）对管板过渡层进行堆焊，堆焊完成后进行消氢处理，消氢温度为200～250℃,时间1h。堆焊复层后，使用油压机对管板进行校平，要求校平后平面度不大于2mm。

（3）以管板背面为基准，以加工余量10mm 加上背面与碳钢密封面理高度再加上6.5mm 为管板密封面的最终机加工高度，依次加工凸台堆焊面、隔板堆焊面，保证凸台与密封面的高度差为6mm。

（4）以管板机加工后的堆焊面为基准，加工管板背面密封面、凸台、管板外圆至图纸尺寸。

（5）加工管孔，然后以管板堆焊面为基准，加工固定管板的隔板槽堆焊面，保证凸台与隔板槽的高度差6mm，且隔板槽略低于密封面。图3 为固定管板的加工示意图。

图3 固定管板加工示意图

2.2 加工难点

管板堆焊完成后进行校平，校平后在立式车床上加工：先加工堆焊面，然后将管板下机床；翻转管板，将壳程侧表面朝上在车床上加工；加工完成后，到数控龙门钻铣床进行管孔加工；钻孔时将堆焊面朝上放置在机床上，找正时发现管板有下凹的现象；测量管板的平面度，发现堆焊面一侧中心比四周低0.4mm，表明管板发生了变形。

3 难点分析与改进

3.1 难点的分析

管板在车床加工完后发生平面变形，说明镍基合金堆焊管板在加工过程中会产生变形，需要分析原因。

3.1.1 镍基合金材质的原因

N08825 镍基合金具有较强的抗塑性变形能力，造成加工硬化严重，切削温度高。在切削这种材料时，由于切削力较大，切削变形剧烈，发生在管板、刀具以及剥离的切屑之间的剧烈摩擦，产生大量的切削热量。因此造成切削区域附近积攒了大量的热量无法迅速散开，导致切削温度非常高。而管板直径大，切削量大时管板温度极易升高，导致加工硬化应力大，容易加大变形。

3.1.2 管板残余应力的释放

镍基合金堆焊采用带极埋弧焊堆焊，热输入大，线能量大。同时在管板的制造过程中，先使用油压机对管板做了反变形，在堆焊完成后使用油压机进行校平。加工完成后，由于堆焊和两次冲压形成的残余应力逐渐释放，造成管板表面变形。

3.1.3 加工时堆焊层局部凹陷处补焊的影响

由于加工时发现局部有凹陷，补焊时又使用焊条进行补焊，造成热输入较大，对周围加工过的表面产生拉力。同时，由于焊接时间上的差异会形成差异化的热量释放过程。

3.2 改进方案与实施

通过对管板加工后变形的原因分析，堆焊过程和校平可以控制加工前的平面度，减少加工过程中的变形释放量。关键在于加工过程中通过对加工参数的合理设定和时效处理方法，控制加工中管板应力和热量的释放。改进后的方案在第二块管板上进行实施。

（1）反变形控制：待表面加工完成后，使用油压机对管板背面进行冲压反变形，以降低反变形冲压尺寸，冲压时反变形尺寸以10mm 为宜。

（2）带极堆焊时要严格执行焊接工艺，并使用测温仪及时测量，控制层间温度，减少热输入量。焊道间搭接均匀，由外向内依次堆焊，堆焊参数见表1。

表1 堆焊层工艺参数

（3）使用2000t 油压机对管板校平，校平时避免同一位置的反复冲压，同时降低校平过程中产生的波浪。对于局部凹陷要测量深度，做好标记。堆焊完成校平时，整个平面的平面度要在2mm 左右。校平产生的波浪变形只要按理论计算能够满足机加工要求的焊层厚度即可，随后可以在加工时进行局部补焊。在加工堆焊层时，若发现有凹陷需要在车削还有余量时提前补焊，补焊采用氩弧焊等热输入小的焊接形式。

（4）机加工堆焊层时，要先对管板进行找正，然后粗车堆焊层表面。加工过程中控制车床转速不超过25r/ min，纵向进刀量不大于0.5mm，切削进给量在0.25～0.4mm/ r。使用切削液对加工区域进行冷却，堆焊层车平前进行补焊；补焊后，将补焊部位与管板堆焊层表面加工平，整个堆焊层留1mm 余量；加工完成后放置12h，然后测量管板堆焊面平面度。校平后的堆焊管板见图4。

图4 校平后的堆焊管板图

（5）精车管板堆焊层：将管板堆焊层加工至图纸尺寸，密封面加工至6.5mm，密封面堆焊层厚度按上偏差执行，避免管板变形后密封面没有加工余量，粗糙度加工至6.3μm。加工过程中，控制机床转速不超过12.5r/ min，纵向进刀量不大于0.25mm，切削进给量0.08～0.18mm/ r。在堆焊层尺寸加工至图纸要求后停车，以四周为百分表基准零点。测量发现管板中心圆点为- 0.06mm，放置工件4h 后测量平面度，发现中心为- 0.1mm。

（6）在平面度满足要求后将管板翻转，对管板壳程侧进行加工，直至图纸尺寸。加工完成后测量平面度，以管板四周平面为百分表对零基准，测量管板中心圆点值为0.14mm。如果以壳程侧为上表面，整个管板平面呈现中心高四周低的形态，差值约0.1mm。

（7）通过以上措施较好地控制了管板车削加工后的平面度，满足了管板钻孔的需要。但是在后续管孔钻削时由于采用龙门钻铣床高速钻孔，而管板母材与堆焊层材质切削性能差异大。针对母材和堆焊层截然不同的切削性能，需要分步钻孔：先将复合层钻掉，再钻通孔，两次钻孔都采用走s 型的方式进行。根据管板的特点对钻孔顺序进行改进，充分保证管板复合层镍基合金散热的均匀性和管板承受钻孔冲击力的均匀性。

（8）以管板堆焊面密封面为基准，在数控龙门钻铣床上铣出管板中心隔板槽堆焊面，保证凸台与隔板槽的高度差6mm，且隔板槽略低于密封面。

3.3 管板平面度测量

管板钻孔完成后测量管板平面度。将管板静置在立式车床上，以堆焊侧加工完的密封面进行8 点对称找正，对称找正偏差不大于0.1mm。使用百分表测量管板平面度，发现管板平面度为0.2mm，密封面平面度为0.08mm，满足技术要求。

4 结语

通过对镍基合金堆焊管板机加工过程中变形原因的分析，从堆焊过程控制到改进管板机加工过程中切削参数，解决了镍基合金堆焊管板加工过程中的变形问题，保证了管板密封面的平面度，进而实现了镍基合金堆焊管板一次加工的合格率，不仅提高了质量可靠性，而且掌握了加工方法。